長寧頁巖地層井下復雜及裂縫三維展布規(guī)律研究

劉厚彬 ，于興川，張 震，萬秀梅，孫航瑞

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學，四川 成都610500

2.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院，四川 成都610051

引言

長寧區(qū)塊位于四川盆地南部長寧–威遠國家級頁巖氣示范區(qū)。長寧區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣儲量豐富，但在鉆井過程中，該區(qū)塊頁巖儲層井漏事故頻發(fā)，導致鉆井周期延長、施工成本增大，極大地阻礙了該地區(qū)頁巖氣資源效益化開發(fā)進程。長寧區(qū)塊龍馬溪組頁巖儲層井下復雜與斷層、裂縫發(fā)育及展布密切相關(guān)，科學可靠的儲層裂縫發(fā)育及三維展布預測可為長寧區(qū)塊頁巖儲層水平井井漏預測與防漏工藝提供依據(jù)[1-2]。

國內(nèi)外專家學者關(guān)于裂縫預測做了大量研究。2003 年，周新桂等[3]歸納了儲層裂縫的研究內(nèi)容，強調(diào)構(gòu)造應力場與巖石力學屬性相互作用的研究方法已成為構(gòu)造裂縫空間定量預測的主流。2005 年，蘇培東等[4]總結(jié)了國內(nèi)外儲層裂縫預測研究方法，并預測對儲層裂縫孔隙度、滲透性及裂縫有效性方面的預測研究是今后儲層裂縫預測的重點。2006年，童亨茂[5]提出利用成像測井資料進行儲層構(gòu)造裂縫預測和評價的思路和方法。2012 年，賈凌霄等[6]將改進的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡算法引入到裂縫預測中，使利用常規(guī)測井曲線能較好地達到預測裂縫的目的。2014年，Xian 等[7]介紹了利用高密度、全方位地震資料進行裂縫預測的前景，對裂縫預測結(jié)果進行了分析，并用于描述碳酸鹽巖縫洞系統(tǒng)。2018年，Chen等[8]通過疊前方位反演預測了納杰馬組的裂縫方位。2019 年，Guo 等[9]基于寬方位地震資料，應用3種方法對頁巖儲層裂縫進行了定量預測。2019 年，于曉東等[10]基于疊前P 波進行各向異性分析，結(jié)合工區(qū)特點進行裂縫地震響應的正演模擬，最后使用AVAZ 預測技術(shù)進行了裂縫空間展布特征預測。2020 年，陳志剛等[11]對地震數(shù)據(jù)體進行曲率運算預測裂縫型儲層發(fā)育帶。2020 年，宋維琪等[12]將HTI模型縱波反射系數(shù)近似公式展開成傅里葉級數(shù)形式，利用最小二乘擬合提取傅里葉級數(shù)系數(shù)，從而提高各向異性參數(shù)估計和裂縫預測的準確性。

前人對裂縫斷層的預測方法做了大量的研究，在眾多裂縫識別的方法中，還沒有一種方法能單獨有效地用于裂縫預測。目前國內(nèi)大多采用數(shù)值模擬方法研究裂縫，缺少全面地從理論角度應用構(gòu)造應力場進行裂縫定量預測和預測裂縫有效性、孔隙度的研究[4]。而且基本未使用已鉆井井下復雜數(shù)據(jù)對裂縫預測結(jié)果進行準確率與可信度的驗證。本文將對長寧井區(qū)已鉆井井漏數(shù)據(jù)進行縱橫向分析，使用疊后地震數(shù)據(jù)體通過螞蟻追蹤技術(shù)的方式進行裂縫預測，并將預測結(jié)果與已鉆井井區(qū)實際工況相結(jié)合驗證其準確率與可信度。

1 長寧區(qū)塊井漏信息數(shù)據(jù)及對比分析

圖1 為長寧區(qū)塊龍?zhí)督M底–五峰組底三維地質(zhì)模型，可以看出，該目的層構(gòu)造起伏較大，構(gòu)造大致呈中間低、四周高的形態(tài)。寧209 井區(qū)位于中間的構(gòu)造低部位，寧216 井區(qū)位于構(gòu)造高部位，寧201井區(qū)位于寧209 井區(qū)與寧216 井區(qū)之間。

圖1 長寧區(qū)塊構(gòu)造及井區(qū)井下復雜分布圖Fig.1 Changning Block structure map and downhole complex distribution

將長寧區(qū)塊寧201 井區(qū)、寧209 井區(qū)與寧216井區(qū)現(xiàn)場實鉆井下復雜數(shù)據(jù)進行分析對比發(fā)現(xiàn)，長寧區(qū)塊上述3 個井區(qū)井下復雜在橫向和縱向分布上均存在差異性，且差異性明顯。

通過對井漏數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，寧201 井區(qū)茅口組井漏事故最為突出（圖2），同時，茅口組和龍馬溪組相比其他地層井漏情況嚴重，但事故類型單一。寧209井區(qū)（圖3）的井下復雜主要發(fā)生在茅口組和龍馬溪組層位，且以茅口組海相地層井下復雜居多。寧216 井區(qū)（圖4）的井下復雜情況與寧209 井區(qū)相同，大多分布在茅口組海相地層和龍馬溪組頁巖地層，但在井下復雜次數(shù)上寧216 井區(qū)要明顯多于寧209 井區(qū)和寧201 井區(qū)，在井下復雜的橫向展布上呈現(xiàn)差異性。

圖2 寧201 井區(qū)井下復雜統(tǒng)計Fig.2 Downhole complex statistics for Ning 201 Well Area

圖3 寧209 井區(qū)井下復雜統(tǒng)計Fig.3 Downhole complex statistics for Ning 209 Well Area

圖4 寧216 井區(qū)井下復雜統(tǒng)計Fig.4 Downhole complex statistics for Ning 216 Well Area

綜上所述，長寧區(qū)塊的井下復雜呈現(xiàn)出構(gòu)造高部位相較于構(gòu)造低部位嚴重的橫向展布差異性（圖1），在縱向上呈現(xiàn)出茅口組、龍馬溪組相較其他地層井下復雜嚴重的縱向展布的差異性。

此外，針對不同地層的井下復雜進行了統(tǒng)計分析。以龍?zhí)督M底–梁山組底和梁山組底–五峰組底為單位統(tǒng)計寧201 井區(qū)、寧209 井區(qū)及寧216 井區(qū)的井下復雜次數(shù)如表1 所示?？梢钥闯?，井下復雜次數(shù)與地層深度大致呈一種正相關(guān)的趨勢，即井下復雜次數(shù)隨深度的增加而增加，另外，由表1 同樣可以得出寧216 井區(qū)相較于其他兩個井區(qū)井下復雜情況嚴重的結(jié)論。

表1 不同地層井下復雜次數(shù)Tab.1 Downhole complex times in different formations

不同井區(qū)、地層裂縫的三維展布規(guī)律存在差異是導致井下復雜在縱橫向差異性明顯的重要原因。因此，準確地預測長寧區(qū)塊裂縫展布情況，將對后期的井軌跡設(shè)計、風險預測提供重要參考依據(jù)。

2 基于螞蟻追蹤的頁巖地層裂縫發(fā)育及三維展布研究

裂縫是指巖石在構(gòu)造或成巖作用下，地層發(fā)生形變的過程中形成的天然破裂面[13]。裂縫的正確描述與預測是裂縫性油氣藏勘探開發(fā)成功的關(guān)鍵[14]，同時也是油氣勘探開發(fā)中的一大難點，尤其是對儲層中的裂縫發(fā)育程度和范圍的預測，由于裂縫發(fā)育分布研究不準確，而使油氣井鉆探和油氣田開發(fā)方案達不到預期目的而造成的間接損失難以完全統(tǒng)計[4]。相對理想的儲層裂縫預測結(jié)果對井區(qū)的后續(xù)效益化勘探開發(fā)具有重要作用。三維地震數(shù)據(jù)體中含有豐富的構(gòu)造信息及斷裂信息，可有效地反映大裂縫及中等裂縫信息[15]。

2.1 螞蟻追蹤技術(shù)原理

螞蟻追蹤技術(shù)，又稱斷裂系統(tǒng)自動追蹤技術(shù)，相比于常規(guī)疊后裂縫預測技術(shù)，該方法具有運行時間短，預測精度高等優(yōu)點[16-17]。螞蟻追蹤技術(shù)的實質(zhì)就是檢測地震數(shù)據(jù)體中的不連續(xù)性，因此，在進行螞蟻追蹤之前進行數(shù)據(jù)預處理，對地震數(shù)據(jù)體進行構(gòu)造光滑、振幅反差、邊界加強可以突出地震數(shù)據(jù)體中的不連續(xù)特征，增強螞蟻追蹤的精度。通過疊后地震數(shù)據(jù)體對目標地層進行三維裂縫預測追蹤原理及流程如圖5 所示[18]。

圖5 螞蟻追蹤原理及流程圖Fig.5 Principle and flow chart of ant tracking

（1）構(gòu)造光滑處理前后對比

通過構(gòu)造光滑處理去除原始地震數(shù)據(jù)體中的隨機噪聲，實際效果如圖6 所示，從圖中可以明顯看出，相同切片中構(gòu)造光滑后斷層表示更加明顯，為之后的螞蟻追蹤提供了更好的前提條件。

圖6 相同切片構(gòu)造光滑處理前后對比Fig.6 Comparison of structure smoothing of the same slice before and after

（2）振幅反差處理前后對比

振幅反差處理是進行邊界檢測的一種手段，地震波在裂縫或斷層處會發(fā)生振幅的變化，通常會在螞蟻追蹤前利用振幅反差處理進行邊界檢測，此舉可以使輸入數(shù)據(jù)體更好地顯示斷層、裂縫細節(jié)，如圖7 所示，這為后續(xù)處理創(chuàng)造更好的解釋條件。

圖7 相同切片振幅反差處理前后對比Fig.7 Comparison of amplitude contrast of the same slice before and after

（3）三維邊界加強處理前后對比

在疊后地震數(shù)據(jù)體的處理中，三維邊界加強被當作一種體屬性濾波器，通常用于過濾噪聲，凸顯有效信息。將振幅反差處理后的地震數(shù)據(jù)體與三維邊界加強后的地震數(shù)據(jù)體進行比較，噪聲級有很大降低，并且邊緣的連續(xù)性得到了改善（圖8）。

圖8 相同切片三維邊界加強處理前后對比Fig.8 Comparison of 3D boundary enhancement of the same slice before and after

（4）螞蟻追蹤

螞蟻追蹤技術(shù)原理就是在地震體中按照初始邊界設(shè)定值分布一定數(shù)量“人工螞蟻”，并讓每個“螞蟻”在追蹤偏差等追蹤參數(shù)的約束下沿著可能的斷層裂縫面向前移動，同時發(fā)出“信息素”。若遇到預期的斷層或裂縫將用“信息素”做出非常明顯的標記，而對不可能是斷層裂縫的那些面將不做標記或只做不太明顯的標記。螞蟻追蹤算法建立了一種突出斷層面特征的新型斷層解釋技術(shù)。通過該算法可自動提取斷層裂縫，或?qū)Φ貙硬贿B續(xù)詳細成圖。螞蟻追蹤技術(shù)消除了人工解釋的主觀性，提高了斷層識別的速度與精度[19-20]。

將一定數(shù)量的螞蟻放入地震體中，每條路徑螞蟻的初始轉(zhuǎn)移概率相同，為一個接近于零的常數(shù)。螞蟻按照路徑上的信息素濃度、規(guī)定步長及點間的距離來選擇下一個目的點的位置，其轉(zhuǎn)移概率為[21-22]

式中：

α–軌跡的相對重要性；

β–能見度的相對重要性；

s–螞蟻k允許經(jīng)過的點。

當該螞蟻完成一次路徑，此時，所經(jīng)過路徑上的信息素就會被更新

式中：

τij(t+n)–(t+n)次循環(huán)中路徑(i,j)上的信息素數(shù)量；

ρ–信息素殘留系數(shù)，1 ?ρ 為信息素揮發(fā)系數(shù)；

Δτij–本次循環(huán)中路徑(i,j) 上信息素數(shù)量的增量；

2.2 長寧區(qū)塊漏失地層裂縫發(fā)育與展布預測

螞蟻追蹤預測裂縫結(jié)果如圖9 所示，圖中黑色細線為螞蟻追蹤出的裂縫結(jié)果。為驗證裂縫與井漏復雜關(guān)系，需對時間域螞蟻體進行時深轉(zhuǎn)換，本文利用時間域與深度域的層面數(shù)據(jù)建立速度模型，對時間域螞蟻體進行時深轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換前后螞蟻體見圖9。

圖9 螞蟻追蹤結(jié)果Fig.9 Ant tracking results

利用龍?zhí)督M底、梁山組底和五峰組底深度域?qū)游蛔鳛閰⒖紝用嬖谏疃扔虻奈浵佔粉櫧Y(jié)果中提取龍?zhí)督M底、梁山組底和五峰組底（圖10）深度域?qū)游坏奈浵佔粉櫧Y(jié)果屬性。圖中不規(guī)則藍色陰影部分為每個層位裂縫投影。每個構(gòu)造層位裂縫分布情況基本相同，大致情況為目標區(qū)塊四周為構(gòu)造高部位，相較于中間的構(gòu)造低部位裂縫投影密集，裂縫發(fā)育、密度大。

圖10 不同層面螞蟻體切片F(xiàn)ig.10 Slice of ant body in different layers

通過對深度域的螞蟻體進行斷層裂縫提取得到裂縫三維展布模型，利用龍?zhí)督M底、梁山組底及五峰組底層面對裂縫模型進行切割，得到茅口組–五峰組不同地層的裂縫三維展布（圖11）。為區(qū)別不同裂縫，對不同裂縫采用不同顏色進行標注。

從提取的裂縫三維展布規(guī)律，結(jié)合寧201 井區(qū)、寧209 井區(qū)和216 井區(qū)具體位置，由裂縫提取結(jié)果圖（圖11）可以看出，長寧區(qū)塊裂縫發(fā)育的裂縫展布規(guī)律呈一種四周裂縫密度高、較為發(fā)育，中間裂縫密度低的展布規(guī)律。茅口組–五峰組裂縫發(fā)育、斜交縫與層理縫交叉貫通，且該地層寧209 井區(qū)裂縫密度明顯小于寧216 井區(qū)的裂縫密度，由此也可以看出，預測結(jié)果印證了寧216 井區(qū)的單井平均井下復雜次數(shù)多于寧209 井區(qū)的單井平均井下復雜次數(shù)的現(xiàn)場實鉆情況。從圖11 也可以明顯看出，梁山組底–五峰組底裂縫密度大于龍?zhí)督M底–梁山組底裂縫密度，證實了最初通過分析不同地層井下復雜次數(shù)得出的地層深度與裂縫密度呈正相關(guān)的推測。

圖11 不同地層裂縫三維展布規(guī)律（不同顏色代表不同裂縫）Fig.11 Three-dimensional distribution of fractures in different formations（Different colors represent different crack）

3 長寧區(qū)塊井下復雜與裂縫三維展布之間響應關(guān)系

為避免提取參數(shù)對驗證響應結(jié)果的影響，通過制作深度域螞蟻追蹤成果數(shù)據(jù)體沿井剖面來驗證預測裂縫與井下復雜的響應關(guān)系。分別選取寧201井區(qū)、寧209 井區(qū)和寧216 井區(qū)各兩口井的井漏信息（表2），進行井漏和裂縫預測的響應關(guān)系驗證。

表2 長寧區(qū)塊部分井漏統(tǒng)計表Tab.2 Selected well leakage statistics for the Changning Block

圖12、圖13 和圖14 為3 個井區(qū)井漏裂縫響應圖（圖中，黑色直線為井軌跡；陰影部分為裂縫存在可能性較大的區(qū)域；放大部分為可能引起井漏的裂縫與井軌跡相交位置局部特寫）。從螞蟻體預測結(jié)果的沿井剖面中可以看出，在寧201H2-5 井在測深1 254.08 m 附近井軌跡與螞蟻體預測裂縫相交。其余的5 口驗證井的井下復雜與螞蟻體預測的裂縫也有較好的響應關(guān)系。寧201H2-5 井井漏發(fā)生部位裂縫錯綜復雜、密度大，而寧209H6-7 井井漏部位裂縫數(shù)量較少、密度小。從其他的驗證井也可以得出相似的結(jié)論，螞蟻體預測裂縫密度大的相較于預測裂縫密度低的位置漏失量較大，但由于螞蟻體數(shù)據(jù)的沿井剖面為二維圖像，因此，在某種程度上對于漏失量的反映并不理想。

圖12 寧201 井區(qū)井漏裂縫響應圖Fig.12 Response diagram of lost circulation and fracture in Ning 201 Well Block

圖13 寧209 井區(qū)井漏裂縫響應圖Fig.13 Response diagram of lost circulation and fracture in Ning 209 Well Block

圖14 寧216 井區(qū)井漏裂縫響應圖Fig.14 Response diagram of lost circulation and fracture in Ning 216 Well Block

通過以上的驗證可以看出，井漏井段在螞蟻體預測位置有較強響應，同時，螞蟻體的預測結(jié)果在一定程度上也可以與井漏事故的漏失量有較好的聯(lián)系，基于螞蟻體的裂縫預測方法在長寧區(qū)塊有著較好的應用效果。

4 結(jié)論

（1）長寧區(qū)塊井下復雜問題突出，其主要原因為地層斷層、裂縫極為發(fā)育。井下復雜縱向、橫向三維展布差異性明顯，且不同構(gòu)造位置點井下復雜程度與頻次不同。

（2）長寧區(qū)塊寧216 井區(qū)井下復雜發(fā)生頻率大于寧209 井區(qū)，縱向上井下復雜地層多，寧209 井區(qū)的井下復雜多發(fā)生于茅口組和龍馬溪組，且又以茅口組居多，寧216 井區(qū)井下復雜同樣多發(fā)于茅口組與龍馬溪組，但二者井下復雜次數(shù)大致相同。

（3）長寧區(qū)塊構(gòu)造呈現(xiàn)“中間向斜凹陷、四周背斜隆起”，長寧區(qū)塊背斜隆起構(gòu)造部位地勢高、擠壓應力弱，裂縫較為發(fā)育，向斜凹陷部位地勢低、壓力壓力高，不宜形成裂縫，寧206 井區(qū)位于背斜隆起部位、裂縫發(fā)育、井下復雜頻次高，寧209 井區(qū)北部、南緣地勢升高，井下復雜增多。

（4）長寧井區(qū)井下復雜與地層裂縫發(fā)育程度密切相關(guān)，裂縫發(fā)育、斜交縫與層理縫交叉貫通是誘發(fā)長寧區(qū)塊井漏事故的主要原因。